煤基重质有机物制备氮硫共掺杂多孔电极炭的研究

摘要

多孔炭材料由于具有良好的热稳定性、耐腐蚀性、导电性以及比表面积大等优点被广泛应用于催化剂载体、电极材料及电催化等领域。表面性质是影响多孔炭材料性能的重要因素。研究发现，杂原子掺杂是改善多孔炭材料表面性质的有效手段之一，不同杂原子之间的协同效应更是可以为多孔炭材料带来独特的性能。重质有机组分含有较多的沥青烯和前沥青烯，易于发生聚合和交联，是制备炭材料的优异前体材料。本文开发了煤直接液化残渣基重质有机组分氮硫共掺杂多孔炭材料，旨在实现煤直接液化残渣的高附加值利用，同时探究了多孔炭的表面性质、孔道结构对其作为超级电容器电极材料以及氧还原反应催化剂性能的影响。主要研究内容和成果如下:
　　将重质有机组分经化学改性掺杂得到含氮和硫的前体材料，采用炭化过程中原位生长的氧化镁为模板，通过调变化学改性过程分别制备了氮掺杂、硫掺杂、氮硫共掺杂和未掺杂的多孔炭。所得氮硫共掺杂多孔炭比表面积最高可达1540 m2 g-1，孔容0.93cm3 g-1，对应的氮含量为3.7 wt％，硫含量为1wt％。
　　以制备所得多孔炭材料为电极材料，探究了多孔炭材料的表面性质对炭基超级电容器性能的影响，结果表明:杂原予掺杂可以有效的提高多孔炭材料的导电性及质量比电容。相比硫掺杂多孔炭材料，氮掺杂多孔炭材料具有更加优异的性能，而由于氮原子和硫原子的协同效应，氮硫共掺杂多孔炭表现出最好的超级电容器性能。在三电极体系1 M H2SO4电解液中，当电流密度为100 mA g-1时，所得氮硫共掺杂多孔炭的质量比电容达到294.8 F g-1，具有最大的质量比电容;在2Ag-1的电流密度下，其质量比电容仍可达到186 F g-1，且在1 Ag-1电流密度下循环5000次容量保持率仍在90％以上。
　　以制备所得多孔炭材料为氧还原反应催化剂，考察了表面性质对炭材料电催化性能的影响，结果表明:杂原子掺杂可以明显的提高材料的电催化性能;在氮原子和硫原子的共同作用下，材料表面高催化活性中心数量增多是材料电催化性能提升的重要原因。所得氮硫共掺杂多孔炭在0.1M KOH中催化氧还原反应的极限电流密度可达5.8 mA cm-2，经20000s稳定性测试后仍保留85％以上的催化活性，且具有良好的甲醇耐受性。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 煤直接液化残渣利用现状

1．1．1 煤炭直接液化残渣的组成

1．1．2 煤炭直接液化残渣的性质及利用

1．2 多孔炭材料的制备及表面修饰

1．2．1 多孔炭材料制备简介

1．2．2 多孔炭材料表面修饰

1．3 氮硫共掺杂炭材料的制备及应用

1．3．1 氮硫共掺杂炭材料的制备

1．3．2 氮硫共掺杂炭材料的应用

1．4 本论文选题依据及研究内容

2 实验部分

2．1 实验原料及设备

2．2 表征方法

2．3 样品的电化学测试方法

2．3．1 超级电容器电化学性能测试

2．3．2 电催化性能测试

3 氮硫共掺杂多孔炭材料的制备及结构表征

3．1 氮硫共掺杂多孔炭材料的制备

3．2 氮硫共掺杂多孔炭材料的结构表征

3．2．1 热失重分析

3．2．2 X射线衍射分析

3．3．3 扫描电镜分析

3．3．4 透射电镜分析

3．3．5 物理吸附

3．3．6 元素分析

3．3 本章小结

4 氮硫共掺杂多孔炭的电化学性能

4．1 超级电容器电极材料

4．2 氧还原反应催化剂

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢